KR20080063233A - Fullerene derivatives - Google Patents

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Abstract

A fullerene derivative of a pentapod structure is provided to obtain a fullerene derivative capable of acting as monomolecular rectifier by asymmetrical structure. A fullerene derivative of a pentapod structure is represented by the formula 1, wherein RX is a functional group containing sulfur. Preferably R of the RX is a linear or branched saturated or unsaturated alkyl or aryl group; and X of the RX is a functional moiety capable of adsorbed to the surface of a substrate by a structure of -SH or -S-S-.

Description

풀러렌 유도체{Fullerene Derivatives}Fullerene derivatives {Fullerene derivatives}

본 발명은 풀러렌 유도체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 싸이올레이트하는 방법을 도입하여 황을 포함하고 있는 다양한 관능기를 가진 펜타포 구조의 양친매성 풀러렌 유도체 및 이를 이용하여 전도성 기판에 분자 배열이 이루어진 양친매성 풀러렌 유도체를 이용한 정류기에 관한 것이다.The present invention relates to a fullerene derivative, and more particularly, a method of thiolating to introduce a pentaphore-structured amphiphilic fullerene derivative having a variety of functional groups containing sulfur, and parents having molecular arrangements on a conductive substrate using the same. It relates to a rectifier using a medium fullerene derivative.

풀러렌 분자는 강한 소수성인 특성을 가지고 있어 서로 간에 쉽게 응집이 되어 기판에 균일한 배열을 하는 것이 매우 어렵다. 그러나 문헌에서 기판위에 잘 배열하고 밀도 있게 정렬하기 위해 풀러렌의 자기 조립 단일층(Self-Assembled Monolayer;SAM)을 형성하는 시도들이 많이 보고되었다. Since fullerene molecules have strong hydrophobic properties, they are easily aggregated with each other, and it is very difficult to uniformly arrange them on the substrate. However, in the literature, there have been many reports of attempts to form a self-assembled monolayer (SAM) of fullerene in order to arrange well and densely on a substrate.

예를 들어, Au(111) 기판을 (4-머캅도페닐) 안쓰릴아세틸렌(4-mercaptophenyl)anthrylacetylene (MPAA))으로 처리하여 안정한 자기조립이 된 결과가 보고되었다. 이 결과 보다 향상된 분자 배열을 이루기 위해 본 발명에서는 Au(111) 기판에 고정화 할 수 있는 치환체 5개를 하나의 풀러렌에 도입한 펜타포드 형태의 풀러렌을 합성함으로 더욱 안정된 나노 크기의 단분자 층 (mono layer)을 형성시키는 것을 시도하였다. For example, it has been reported that the Au(111) substrate was treated with (4-mercaptophenyl) anthrylacetylene (MPAA)) to achieve stable self-assembly. As a result of this, in order to achieve an improved molecular arrangement, in the present invention, a more stable nano-sized monomolecular layer (mono layer).

유기 정류기와 관련된 연구를 살펴보면, 1전자 주게(donor) 부분(D)이 전자 받게(acceptor) 부분(A)과 절연된 δ 브릿지를 통해 연결돼있는 D-δ-A 시스템으로 이루어진다. 2단분자 정류 특성이 헥사데실퀴놀리늄 트리시아노퀴노이메타나이드 (hexadecylquinolinium tricyanoquinodimethanide)의 랑뮈어 볼텟(Lanmuir-Blodgett;LB) 단일막을 통해 검출되었고3, 후에 확증되었다4,5. 풀러렌 유도체 LB 단일막 정류기는 금 전극 사이에 끼어 있을 때 발견되었다6. 이 첫 번째 풀러렌 유도체 합성물인 디메틸아미노페닐아자풀러렌(dimethylaminophenylazafullerene)은 굉장히 뚜렷한 정류 비율(최대 20,000)을 가진 것으로 보고되었다. 그러나 여기서 대부분의 포워드 전류는 금의 석순(stalagmite) 형성 때문이라고 보여진다. 다른 연구 결과에서는fullerene-bis-[4-diphenylamino-4''-(N-ethyl-N-2'''-ethyl)amino-1,4-diphenyl-1,3-butadiene] malonate의7 Langmuir-Schaefer(LS) 단일박막이 두 개의 금 전극 사이에 끼워 있을 때 정류작용을 보인다고 발표하였다.Looking at the research related to the organic rectifier, it consists of a D-δ-A system in which 1 electron donor part (D) is connected to the electron acceptor part (A) through an insulated δ bridge. 2 Single-molecule rectification characteristics were detected through a single membrane of Lanmuir-Blodgett (LB) of hexadecylquinolinium tricyanoquinodimethanide 3 and confirmed later 4,5 . The fullerene derivative LB single-film rectifier was found when sandwiched between gold electrodes 6 . This first fullerene derivative compound, dimethylaminophenylazafullerene, has been reported to have a very pronounced rectification ratio (up to 20,000). However, it is believed that most of the forward current is due to the formation of stalagmite in gold. In other studies, fullerene-bis-[4-diphenylamino-4''-( N -ethyl- N -2'''-ethyl)amino-1,4-diphenyl-1,3-butadiene] 7 Langmuir- of malonate Schaefer(LS) reported that a single thin film exhibited rectification when sandwiched between two gold electrodes.

풀러렌 분자는 강한 소수성이고 쉽게 응집된다. 그러나 문헌에서 기판위에 잘 배열하고 밀도 있게 정렬하기 위해 풀러렌의 SAM을 형성하는 시도들이 많이 보고되었다8. 금(111) 기판위에서 (4-mercaptophenyl)anthrylacetylene (MPAA)의 안정한 자기조립이 보고되었다9. 이 분자는 강한 p-p 분자간 무리와 금-싸이올 (goldthiol) 인력을 통하여 매우 좋은 2D 정렬을 하였다. 이렇게 풀러렌의 우수한 물리, 화학적 특성은 MPAA에 기반을 둔 SAM의 나노사이즈의 정렬을 제어함으로서 얻어 질 수 있는 이점과 결합하였다.Fullerene molecules are strongly hydrophobic and easily aggregated. However, many attempts have been reported in the literature to form a fullerene SAM in order to align well and densely on a substrate 8 . Stable self-assembly of (4-mercaptophenyl)anthrylacetylene (MPAA) on gold (111) substrate has been reported 9 . This molecule has a very good 2D alignment through strong pp intermolecular clusters and gold-thiol attraction. Thus, the excellent physical and chemical properties of fullerene are combined with the advantages that can be obtained by controlling the nano-sized alignment of the MPAA-based SAM.

Nakamura와 그 연구진은 풀러렌에 penta-addition 물질을 결합하기 위해 유기 구리 시약을 첨가하였다.10 이 반응은 정량적이며, 멀티 그램(multi-gram) 단위로도 실험 가능하고, 메틸 그룹 뿐만 아니라 다양한 아릴과 알케닐 그룹에도 매우 일반적이다.11 알케닐 생성물의 합성은 아릴화와 메틸화 합성을 통한 그리그나드(Grignard) 시약 대신 그에 상응하는 리튬(lithium 시약을 사용하여 생성된 1-알케닐 구리 (1-alkenyl copper) 시약을 사용하면 가능하다.Nakamura and his team added an organo-copper reagent to bind the penta-addition material to the fullerene. 10 This reaction is quantitative, can be tested on a multi-gram basis, and is very common for a variety of aryl and alkenyl groups as well as methyl groups. 11 Synthesis of alkenyl products is possible by using 1-alkenyl copper reagents produced by using a corresponding lithium reagent instead of Grignard's reagent through arylation and methylation synthesis. Do.

그러나, 상술한 종래 기술로는 전극과 풀러렌과의 흡착이 용이하지 아니하며, 여전히 금 전극과 흡착이 용이하고, 풀러렌 분자들 사이가 정렬된 배열을 가지는 유기 정류기 및 이에 사용되는 풀러렌 유도체는 여전히 그 개발이 요청된다할 것이다.However, with the above-described prior art, the adsorption of the electrode and the fullerene is not easy, and the adsorption with the gold electrode is still easy, and the organic rectifier having an aligned arrangement between fullerene molecules and the fullerene derivative used therein are still developed. Will do this is requested.

[ (1) Metzger, R. M. Chem. Rev. 2003, 103, 3803. (2) Aviram, A; Ratner, M. A. Chem. Phys. Lett. 1974, 29, 277. (3) Martin, A. S.; Sambles, J. R.; Ashwell, G. J. Phys. Rev. Lett. 1993, 70, 218. (4) Metzger, R. M.; Chen, B.; Ho¨pfner, U.; Lakshmikantham, M. V.; Vuillaume, D.; Kawai, T.; Wu, X.; Tachibana, H.; Hughes, T. V.; Sakurai, H.; Baldwin, J. W.; Hosch, C.; Cava, M. P.; Brehmer, L.; Ashwell, G. J. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 10455. (5) Metzger, R. M.; Xu, T.; Peterson, I. R. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 7280. (6) Metzger, R. M.; Baldwin, J. W.; Shumate, W. J.; Peterson, I. R.; Mani, P.;Mankey, G. J.; Morris, T.; Szulczewski, G.; Bosi, S.; Prato, M.; Comito, A.; Rubin, Y. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 1021. (7) Honciuc, A.; Jaiswal, A.; Gong, A.; Ashworth, K.; Spangler, C. W.; Peterson, I. R.; Dalton, L. R.; Metzger, R. M. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 857. (8) (a) Shi, X.; Caldwell, W. B.; Chen, K.; Mirkin, C. A. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 11598. (b) Arias, F.; GodKnez, L. A.; Wilson, S. R.; Kaifer, A. E.; Echegoyen, L. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 6086. (9) Zareie, M. H.; Ma, H.; Reed, B. W.; Jen, A. K.-Y.; Sarikaya, M. Nano Lett. 2003, 3, 139. (10) Nakamura, E; Isobe, H. Acc. Chem. Res. 2003, 36, 807. (11) (a) Sawamura, M.; Iikura, H.; Nakamura, E. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 12850. (b) Sawamura, M.; Iikura, H.; Ohama, T.; Hackler, U. E.; Nakamura, E. J. Organo-metal. Chem. 2000, 599, 32. (c) Sawamura, M.; Toganoh, M.; Kuninobu, Y.; Kato, S.; Nakamura, E. Chem. Lett. 2000, 262. (d) Sawamura, M.; Nagahama, N.; Toganoh, M.; Nakamura, E. J. Organometal. Chem. 2002, 652, 31.] [ (1) Metzger, RM Chem. Rev. 2003 , 103 , 3803. (2) Aviram, A; Ratner, MA Chem. Phys. Lett. 1974 , 29 , 277. (3) Martin, AS; Sambles, JR; Ashwell, GJ Phys. Rev. Lett. 1993 , 70 , 218. (4) Metzger, RM; Chen, B.; Ho¨pfner, U.; Lakshmikantham, MV; Vuillaume, D.; Kawai, T.; Wu, X.; Tachibana, H.; Hughes, TV; Sakurai, H.; Baldwin, JW; Hosch, C.; Cava, MP; Brehmer, L.; Ashwell, GJ J. Am. Chem. Soc. 1997 , 119 , 10455. (5) Metzger, RM; Xu, T.; Peterson, IR J. Phys. Chem. B 2001 , 105 , 7280. (6) Metzger, RM; Baldwin, JW; Shumate, WJ; Peterson, IR; Mani, P.; Mankey, GJ; Morris, T.; Szulczewski, G.; Bosi, S.; Prato, M.; Comito, A.; Rubin, Y. J. Phys. Chem. B 2003 , 107 , 1021. (7) Honciuc, A.; Jaiswal, A.; Gong, A.; Ashworth, K.; Spangler, CW; Peterson, IR; Dalton, LR; Metzger, RM J. Phys. Chem. B 2005, 109, 857. (8) (a) Shi, X.; Caldwell, WB; Chen, K.; Mirkin, CA J. Am. Chem. Soc. 1994 , 116 , 11598. (b) Arias, F.; GodKnez, LA; Wilson, SR; Kaifer, AE; Echegoyen, L. J. Am. Chem. Soc. 1996 , 118 , 6086. (9) Zareie, MH; Ma, H.; Reed, BW; Jen, AK-Y.; Sarikaya, M. Nano Lett. 2003 , 3 , 139. (10) Nakamura, E; Isobe, H. Acc. Chem. Res. 2003 , 36 , 807. (11) (a) Sawamura, M.; Iikura, H.; Nakamura, E. J. Am. Chem. Soc. 1996 , 118 , 12850. (b) Sawamura, M.; Iikura, H.; Ohama, T.; Hackler, UE; Nakamura, E. J. Organo-metal. Chem. 2000 , 599 , 32 . (c) Sawamura, M.; Toganoh, M.; Kuninobu, Y.; Kato, S.; Nakamura, E. Chem. Lett. 2000 , 262. (d) Sawamura, M.; Nagahama, N.; Toganoh, M.; Nakamura, E. J. Organometal. Chem. 2002 , 652 , 31. ]

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1 목적은 싸이올레이트하는 방법을 도입하여 황을 포함하는 다양한 관능기를 가진 펜타포드 구조의 양친매성 풀러렌 유도체를 제공하는데 있다.A first object of the present invention for solving the above problems is to provide an amphiphilic fullerene derivative having a pentapod structure having various functional groups including sulfur by introducing a thiolating method.

또한, 본 발명의 제2 목적은 상기 제1 목적의 달성에 의해 수득되는 풀러렌 유도체를 이용하는 유기 정류기를 제공하는데 있다.Further, a second object of the present invention is to provide an organic rectifier using a fullerene derivative obtained by achieving the first object.

상기 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 펜타포드 구조의 양친매성의 특성을 가지고, (RX)5HCn의 화학식을 가지는 풀러렌 유도체를 제공한다.In order to achieve the first object, the present invention provides a fullerene derivative having an amphiphilic property of a pentapod structure and having a formula of (RX) 5 HCn.

상기 화학식에서 관능기 RX는 황을 가지는 관능기이며, n은 60 이상인 것을 특징으로 한다.In the above formula, the functional group RX is a functional group having sulfur, and n is 60 or more.

상기 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전도성 기판; 및 상기 전도성 기판 상에 랑뮈어 볼텟 단일막 또는 자기조립 단일막으로 형성된 풀러렌 유도체들을 포함하고, 상기 풀러렌 유도체는 하나의 분자 구조에서 전자 주게-절연된 δ브릿지-전자 받게 부분이 구비된 시스템인 것을 특징을 하는 유기 정류기를 제공한다.The present invention for achieving the second object, a conductive substrate; And fullerene derivatives formed of a Langmuir volt single film or a self-assembled single film on the conductive substrate, wherein the fullerene derivative is a system having an electron donor-insulated δ bridge-electron acceptor part in one molecular structure. It provides an organic rectifier characterized by.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 싸이올 혹은 싸이올 유도체를 관능기 함유한 펜타포드 구조의 풀러렌 유도체는 Au(111)에 대한 싸이올 관능기의 강한 흡착력 때문에 완벽한 단분자 모노 배열이 가능하여 단층(mono layer) 조절이 용이하고 포워드 저전압에서 정류 현상을 보인다. 그 결과, 이 분자 정류 소재들은 메모리 물질과 같은 나노 크기의 소자 응용에 다양한 적용이 가능하다.According to the present invention as described above, a fullerene derivative of a pentapod structure containing a thiol or a thiol derivative as a functional group is capable of a perfect monomolecular mono-arrangement due to the strong adsorption of the thiol functional group to Au (111). ) It is easy to control and shows rectification phenomenon at forward low voltage. As a result, these molecular rectifying materials can be applied in a variety of applications in nano-sized devices such as memory materials.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제1 실시예Embodiment 1

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풀러렌 유도체의 구조를 도시한 것이다.1 shows the structure of a fullerene derivative according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 펜타포드 구조의 양친매성의 특성을 갖고, (RX)5HCn의 화학식을 가지는 풀러렌 유도체가 개시된다. 상기 화학식에서, RX는 황을 가지는 관능기이다. 구체적으로, R은 직선 또는 가지구조의 포화 또는 불포화 알킬 또는 아릴 그룹이며, X는 기판 표면과 흡착될 수 있는 관능기 부분으로서 -SH 또는 -S-S-의 구조를 포함한다. RX의 구체적인 예시들은 도 1에 나타낸 바와 같다.Referring to FIG. 1, a fullerene derivative having a pentapod structure of amphiphilic properties and a formula of (RX) 5 HCn is disclosed. In the above formula, RX is a functional group having sulfur. Specifically, R is a linear or branched saturated or unsaturated alkyl or aryl group, and X includes a structure of -SH or -SS- as a moiety of a functional group that can be adsorbed with the substrate surface. Specific examples of RX are as shown in FIG. 1.

상기 풀러렌 펜타포드(fullerene pentapod)의 합성은 펜타-첨가(penta-addition)방법을 이용하여 실시되었으며, 이 방법은 매우 용이하고, 90%가 넘는 수율을 보인다. (RX)5HCn의 화학식을 가지는 풀러렌 유도체의 일 예로서, 싸이올 및 싸이올 유도체를 관능기로 함유하고 있는 펜타포드 구조의 풀러렌 유도체, 즉 (4- SX'-C6H4)5HCn의 합성을 성공하였고, 여기서 X'는 피란과 같은 프로텍팅 그룹(protecting group)일 수 있다. 상기 풀러렌 유도체의 화학식들에서 n은 60 이상임이 바람직하다.The synthesis of the fullerene pentapod was carried out using a penta-addition method, which is very easy and shows a yield of over 90%. (RX) As an example of a fullerene derivative having a formula of 5 HCn, a fullerene derivative having a pentapod structure containing a thiol and a thiol derivative as a functional group, that is, (4-SX'-C 6 H 4 ) 5 HCn Synthesis was successful, where X'may be a protecting group such as pyran. In the formulas of the fullerene derivative, n is preferably 60 or more.

즉, 플러렌 분자에는 다섯 개의 싸이올레이트화(-SX') 된 관능기가 구비된다. 플러렌 분자에 결합되는 관능기의 구조는 상기 도 1에 자세히 도시된다.That is, five thiolated (-SX') functional groups are provided in the fullerene molecule. The structure of the functional group bonded to the fullerene molecule is shown in detail in FIG. 1.

또한, 분자 역학(molecular mechanics(MM2)) 연구로부터 풀러렌의 다리를 형성하는 싸이올 및 싸이올 유도체의 관능기가 주게(donor)로서 작용하고, 풀러렌 부분이 받게(acceptor)로 작용할거라고 예상하였으나 분자의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)와 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)가 풀러렌 케이지 내에 모두 존재함을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서 도 6에서와 같이 확인하였다. In addition, from molecular mechanics (MM2) studies, it was expected that the functional groups of thiols and thiol derivatives that form the bridge of fullerene would act as donors, and that the fullerene portion would act as an acceptor. It was confirmed as in FIG. 6 through computer simulation that both the Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) and the Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) exist in the fullerene cage.

이것은 이전의 풀러렌 정류기의 것과 상반된 것으로, 이 경우 다섯 개의 싸이올레이트화(-SX') 관능기가 기판과 연결하는 것을 도울 뿐만 아니라 풀러렌 분자에게 고정된 지지대를 제공한다. 따라서, 이 HOMO와 LUMO가 풀러렌 케이지에 놓여있는 양친매성 풀러렌 펜타포드 자체가 단일 분자 정류기라 할 수 있다.This is contrary to that of previous fullerene rectifiers, in which case the five thiolated (-SX') functional groups not only help to connect with the substrate, but also provide a fixed support for the fullerene molecules. Therefore, the amphiphilic fullerene pentapod itself, in which this HOMO and LUMO are placed in a fullerene cage, can be called a single molecule rectifier.

제조예 1 : 브로모페닐썰파닐-테트라히드로-피란(Bromo-phenylsulfanyl- tetrahydro-pyran)의 제조 및 이를 이용한 그리나드 반응Preparation Example 1: Preparation of bromo-phenylsulfanyl-tetrahydro-pyran and Grignard reaction using the same

브로모페닐썰파닐-테트라히드로-피란의 제조 Preparation of bromophenylsulfanyl-tetrahydro-pyran

Figure 112008015227111-PAT00001
Figure 112008015227111-PAT00001

브로모벤젠싸이올을 3,4-디히드로-2H-피란과 함께 디클로로메탄(MC)에 용해한 용액에 촉매로 캄포 설포닉산을 촉매로써 미량 첨가한 후, 40℃에서 3시간 동안 반응시킨다. To a solution in which bromobenzenethiol was dissolved in dichloromethane (MC) with 3,4-dihydro-2H-pyran, a trace amount of camphor sulfonic acid was added as a catalyst as a catalyst, and then reacted at 40° C. for 3 hours.

반응용매로는 디클로로메탄 뿐만 아니라 클로로포름, 테트라 클로로 카본 등을 사용할 수 있으며, 반응용매는 브로모 벤젠싸이올의 중량에 대하여 10배 내지 20배 사용하는 것이 좋다. 이때, 위의 보호(protection) 반응은 20℃ 내지 60℃ 범위 하에서 수행하며, 상기 반응온도가 20℃ 미만이면 수율이 낮아지고 60℃를 초과하는 경우에는 부가반응이 발생할 문제가 있다.As the reaction solvent, not only dichloromethane, but also chloroform, tetrachlorocarbon, etc. can be used, and the reaction solvent is preferably used 10 to 20 times the weight of bromobenzenethiol. At this time, the above protection reaction is carried out in the range of 20°C to 60°C, and when the reaction temperature is less than 20°C, the yield is lowered, and when the reaction temperature exceeds 60°C, there is a problem of occurrence of an addition reaction.

브로모페닐썰파닐-테트라히드로-피란을 이용한 그리나드 반응Grignard reaction using bromophenylsulfanyl-tetrahydro-pyran

Figure 112008015227111-PAT00002
Figure 112008015227111-PAT00002

상기 반응식 2를 참조하면, 그리나드 반응은 수분에 매우 민감한 반응이므로 반응 용기를 완전히 건조하고 질소 혹은 아르곤으로 환류시킨다. 충분히 환류가 이루어진 상태에서 건조된 마그네슘 금속(Mg)을 넣고, 무수 테트라히드로퓨란 (THF)을 마그네슘 금속의 높이 정도로 미량을 첨가하여 교반을 한다. 교반과 환류 상태에서 마그네슘을 활성화시키기 위해서 1,2-디브로모에탄 (1,2-dibromoethane)을 천천히 첨가함과 동시에 과열 반응을 방지하기 위해서 얼음 중탕 하에서 THF를 천천히 주입한다. 반응 용액의 색이 짙은 갈색으로 변한 것을 확인한 후, 브로모페닐썰파닐-테트라히드로-피란을 천천히 주입한다. 80℃에서 2시간 동안 환류를 시키고 반응을 종결한다. 이를 통해 브로모마그네슘-페닐썰파닐-테트라히드로-피란(Bromomagnesium-Phenylsulfanyl-Tetrahydro-pyran ; BMPST)을 획득할 수 있다.Referring to Scheme 2, since the Grignard reaction is very sensitive to moisture, the reaction vessel is completely dried and refluxed with nitrogen or argon. After sufficiently refluxing, dried magnesium metal (Mg) is added, and a trace amount of anhydrous tetrahydrofuran (THF) is added to the level of magnesium metal, followed by stirring. In a state of stirring and reflux, 1,2-dibromoethane is slowly added to activate magnesium, and at the same time, THF is slowly injected under an ice bath to prevent overheating reaction. After confirming that the color of the reaction solution has turned dark brown, bromophenylsulfanyl-tetrahydro-pyran is slowly injected. Refluxed at 80° C. for 2 hours and the reaction was terminated. Through this, bromomagnesium-phenylsulfanyl-tetrahydro-pyran (BMPST) can be obtained.

제조예 2 : 싸이올레이트 풀러렌 펜타포드(4-SH-CPreparation Example 2: Thiolate fullerene pentapod (4-SH-C 66 HH 44 )) 55 HCHC 6060 의 제조Manufacture of

Figure 112008015227111-PAT00003
Figure 112008015227111-PAT00003

싸이올레이트화 풀러렌 펜타포드 (4-SH-C6H4)5HC60제조는 상기 반응식 3에 개시된 바와 같다. 구체적으로, 풀러렌(C60)과 구리 촉매 및 톨루엔/테트라히드로퓨란 혼합 용매에 녹인 후, -78℃에서 상기 반응식 2에서 제조된 BMPST를 천천히 첨가하고, 2시간동안 반응시킨다. 온도를 상온까지 승온한 후, 암모늄 클로라이드 용액을 첨가하여 종결반응을 한다.The preparation of thiolated fullerene pentapod (4-SH-C 6 H 4 ) 5 HC 60 is as described in Scheme 3 above. More specifically, and reacted for a fullerene (C 60) and a copper catalyst, and toluene / tetrahydrofuran was dissolved in a mixed solvent, slowly adding the BMPST prepared in Scheme 2 from -78 ℃, and 2 hours. After raising the temperature to room temperature, an ammonium chloride solution is added to perform a termination reaction.

이와 같은 보호 반응을 이용하여 싸이올 그룹(-SH)이 서로 간에 반응하는 부가반응을 방지하여, (4-(SC5H5O)-C6H4)5HC60를 얻는다. 이때, Au(111)으로 흡착하는 단계에서 싸이올 그룹(-SH) 사용을 필요로 하는 경우 피란으로 보호된 싸이올 관능기를 in-situ로 싸이올(-SH) 관능기로 전환하여 사용하기 위해 파라-톨루익 썰퍼릭 산 혹은 테트라-n-부틸암모늄 플로라이드를 트리플루오로아세틱 산을 메탄올에 녹인 용액 첨가하에 주입한다. 반응식 3로부터 최종 생산물인 (4-SH-C6H4)5HC60을 95% 수율로 제조하였다. Using such a protection reaction, the addition reaction in which thiol groups (-SH) react with each other is prevented, thereby obtaining (4-(SC 5 H 5 O)-C 6 H 4 ) 5 HC 60. At this time, in the step of adsorbing with Au (111), when the use of thiol group (-SH) is required, the thiol functional group protected by pyran is converted into a thiol (-SH) functional group in-situ to be used. -Inject toluic sulferic acid or tetra-n-butylammonium fluoride under the addition of a solution in which trifluoroacetic acid is dissolved in methanol. From Scheme 3, the final product (4-SH-C 6 H 4 ) 5 HC 60 was prepared in 95% yield.

상기 (4-(SC5H5O)-C6H4)5HC60의 구조를 확인 데이터로 1H-NMR을 도 2에 첨부하였다.The structure of the (4-(SC 5 H 5 O)-C 6 H 4 ) 5 HC 60 was attached to FIG. 2 with 1 H-NMR as confirmation data.

제2 실시예Embodiment 2

기존의 유기 정류기의 경우, 상부 전극과 하부 전극 사이에 풀러렌이 배치되는 구조를 가진다. 따라서, 유기 정류기의 전기적 특성을 측정하고자 하는 경우, 상부 전극 및 하부 전극에 전원을 인가하는 방법을 사용한다.In the case of a conventional organic rectifier, it has a structure in which a fullerene is disposed between an upper electrode and a lower electrode. Therefore, in order to measure the electrical characteristics of the organic rectifier, a method of applying power to the upper electrode and the lower electrode is used.

그러나 본 발명에 의해 제조되는 풀러렌 유도체는 하부 기판 상에만 풀러렌 유도체를 흡착시킨다. 제1 실시예에 의해 제조되는 싸이올레이트 풀러렌 펜타포드 구조는 전자주게-δ 브릿지-전자받게 시스템이 모노 레이어에서 구성된다.However, the fullerene derivative prepared by the present invention adsorbs the fullerene derivative only on the lower substrate. In the thiolate fullerene pentapod structure manufactured according to the first embodiment, the electron donor-δ bridge-electron acceptor system is constructed in a mono layer.

따라서, 기존의 유기 정류기의 정류 특성 측정은 상부 및 하부 전극 사이에 유기물질을 배열한 후 측정을 수행하나, 본 발명에서는 새로운 측정 방법으로 하부에는 금, 은 또는 백금과 같은 전도성 전극, 구체적으로 Au(111)를 사용하고, 전도성 전극 상에 풀러렌 유도체를 배열한다. 또한, 풀러렌 유도체의 상부에는 전도성 AFM(Conducting AFM ; CAFM) 측정기기의 팁을 전극으로 사용하였다. 또한, 상기 전도성 전극은 도전성을 가지며 금, 은 또는 백금으로 이루어진다.Therefore, the measurement of the rectification characteristics of the conventional organic rectifier is performed after arranging organic materials between the upper and lower electrodes, but in the present invention, a new measurement method is used. (111) is used, and a fullerene derivative is arranged on the conductive electrode. In addition, the tip of a conducting AFM (CAFM) measuring device was used as an electrode on the top of the fullerene derivative. In addition, the conductive electrode has conductivity and is made of gold, silver or platinum.

상술한 측정기기를 이용하는 정류 특성 측정은 기존의 방식에서 발생되는 전극간의 터널링에 의한 정류 특성을 방지하여 유기 물질 의 정확한 정류 특성을 측 정할 수 있으며, 단분자층(mono layer)의 정확한 정류특성을 측정할 수 있는 방법을 제시하였다. 이하 풀러렌 유도체의 정류 특성 측정 방법은 CAFM을 이용하여 측정되었음을 기술한다. The measurement of rectification characteristics using the above-described measuring device prevents the rectification characteristics due to tunneling between electrodes occurring in the conventional method, so that the correct rectification characteristics of organic materials can be measured, and the accurate rectification characteristics of the monolayer can be measured. We have suggested a way to do it. Hereinafter, it is described that the method of measuring the rectification characteristics of the fullerene derivative was measured using CAFM.

제조예 3 : 전도성 AFM(Atomic Force Microscopy)을 이용한 유기 정류기의 제조 1Preparation Example 3: Preparation of an organic rectifier using conductive AFM (Atomic Force Microscopy) 1

[구조식1][Structural Formula 1]

Figure 112008015227111-PAT00004
Figure 112008015227111-PAT00004

테트로하이드로퓨란(THF)에 녹아있는 테트라-n-부틸암모늄 플루오라이드(tetra-n-butylammonium fluoride (TBAF))를 사용하여 in-situ로 퍼싸이올레이트화(perthiolated)된 펜타포드 (4-SX'-C6H4)5HC60를 활성화(deprotect)하였다. Pentapod (4-perthiolated) in-situ using tetra-n- butylammonium fluoride (TBAF) dissolved in tetrahydrofuran (THF). SX'-C 6 H 4 ) 5 HC 60 was activated (deprotected).

상기 퍼싸이올레이트화된 펜타포드의 분자식에서 X'는 피란(pyran)부분과 같은 프로텍팅 그룹이다. In the molecular formula of the perthiolated pentapod, X'is a protecting group such as a pyran moiety.

먼저, (4-SX'-C6H4)5HC60 (1.5mmol)을 테트라하이드로퓨란(10mL)에 용해시켜 준비된 용액에 Au(111) 기판을 담그고 대기중에서 테트라하이드로퓨란(15mL)에 테트라-n-부틸암모늄 플루오라이드(8mmol)을 녹인 용액을 첨가하여 풀러렌 유도체와 기판을 흡착 과정을 12시간 동안 하였고, 테트라하이드로퓨란으로 반복적으로 씻어내고, 질소 가스(N2)로 건조하였다. 그 후에 상온에서 건조된 질소 하에 진공 데시케이터(desiccator)안에서 24시간 동안 건조하였다. 제조된 소자의 I-V 특성을 전도성 AFM을 이용하여 대기중에서 분석하였다. First, (4-SX'-C 6 H 4 ) 5 HC 60 (1.5 mmol) was dissolved in tetrahydrofuran (10 mL), and the Au (111) substrate was immersed in the prepared solution. A solution in which -n-butylammonium fluoride (8 mmol) was dissolved was added to adsorb the fullerene derivative and the substrate for 12 hours, washed repeatedly with tetrahydrofuran, and dried with nitrogen gas (N 2 ). Then, it was dried for 24 hours in a vacuum desiccator under nitrogen dried at room temperature. The IV characteristics of the prepared device were analyzed in the air using a conductive AFM.

상기에서 제조한 소자의 I-V 특성을 도 3과 도 5에 첨부하였다. I-V characteristics of the device manufactured above are attached to FIGS. 3 and 5.

제조예 4 : 전도성 AFM(Atomic Force Microscopy)을 이용한 유기 정류기의 제조 2Preparation Example 4: Preparation 2 of an organic rectifier using conductive AFM (Atomic Force Microscopy)

[구조식2][Structural Formula 2]

Figure 112008015227111-PAT00005
Figure 112008015227111-PAT00005

in-situ 활성화(deprotection)로 준비된 퍼싸이올레이트 펜타포드 (4-SH-C6H4)5HC60를 머캅도옥타노익 산(mercaptooctanoic acid ; MOA), 머캅도도데카노익 산(mercaptododecanoic acid ; MDA), 머캅도헥사데카노익 산(mercaptohexadecanoic acid ; MHA), 머캅도숙시닉 산 (mercaptosuccinic acid ; MSA) 또는 싸이옥틱 산 (thioctic acid ; TOA)과 같은 머캅도카르복실릭 산(mercaptocarboxylic acids)과 수소결합을 형성시켜 제조하였다. Perthiolate pentapod (4-SH-C 6 H 4 ) 5 HC 60 prepared by in-situ activation (deprotection) was mixed with mercaptooctanoic acid (MOA) and mercaptododecanoic acid. ; Mercaptocarboxylic acids such as MDA), mercaptohexadecanoic acid (MHA), mercaptosuccinic acid (MSA) or thioctic acid (TOA). ) And formed a hydrogen bond.

이를 위해 먼저, 머캅도카르롭실릭 산의 자기조립단일막 (Self-Assembly Monolayer; SAM)을 기판위에 만들었다. 예를 들어, MHA의 용액은 MHA(1.5mmol)를 THF(25mL)에 녹여 만들었다. 또한, 깨끗한 Au(111) 기판을 상온에서 24시간 이 용 액에 담그고, THF로 여러 번 세척한 후 질소 가스로 건조하였다. 그 후 24시간 동안 진공 데시케이터에서 건조하였다. 이 SAM 변환된 기판위에 퍼싸이올레이트 펜타포드 (4-SH-C6H4)5HC60를 in-situ 활성화(deprotection)로 흡착하였다. 이것의 I-V 특성은 대기 중에서 전도성 AFM을 사용하여 측정하였다.To this end, first, a self-assembly monolayer (SAM) of mercapdocarboxylic acid was made on the substrate. For example, a solution of MHA was made by dissolving MHA (1.5 mmol) in THF (25 mL). In addition, a clean Au (111) substrate was immersed in this solution at room temperature for 24 hours, washed several times with THF, and then dried with nitrogen gas. After that, it was dried in a vacuum desiccator for 24 hours. Perthiolate pentapod (4-SH-C 6 H 4 ) 5 HC 60 was adsorbed on the SAM-converted substrate by in-situ activation (deprotection). Its IV properties were measured using conductive AFM in air.

상기에서 제조한 소자의 I-V 특성을 도 4와 도 5에 첨부하였다. I-V characteristics of the device manufactured above are attached to FIGS. 4 and 5.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will variously modify and change the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. You will understand that you can do it.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 풀러렌 유도체의 구조를 나타낸 것이다.1 shows the structure of a fullerene derivative prepared according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따라 반응식 3에서 제조된 싸이올레이트 풀러렌의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다. Figure 2 shows the 1 H-NMR spectrum of the thiolate fullerene prepared in Scheme 3 according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따라 제조예 3에서 제조된 소자의 I-V 곡선. Bias voltage: -1 V ~ +1 V. 3 is an I-V curve of the device manufactured in Preparation Example 3 according to the present invention. Bias voltage: -1 V ~ +1 V.

도 4는 본 발명에 따라 제조예 4에서 제조된 소자의 I-V 곡선. Bias voltage, (A) -2 V ~ +2 V, (B) -3 V ~ +3 V.4 is an I-V curve of the device manufactured in Preparation Example 4 according to the present invention. Bias voltage, (A) -2 V ~ +2 V, (B) -3 V ~ +3 V.

도 5는 본 발명에 따라 제조예 3와 4에서 제조된 소자의 I-V 곡선의 비교 그래프.5 is a comparison graph of the I-V curves of the devices manufactured in Preparation Examples 3 and 4 according to the present invention.

도 6는 본 발명에 따라 제조된 풀러렌 유도체의 컴퓨터 시물레이션을 통한 (4-SH-C6H4)5HC60 의 (A) HOMO와 (B) LUMO 결과.6 is (A) HOMO and (B) LUMO results of (4-SH-C 6 H 4 ) 5 HC 60 through a computer simulation of a fullerene derivative prepared according to the present invention.

Claims (3)

하기의 화학식 1로 표시되는 펜타포드 구조의 풀러렌 유도체.Fullerene derivative of pentapod structure represented by the following formula (1). [화학식 1][Formula 1]
Figure 112008015227111-PAT00006
Figure 112008015227111-PAT00006
상기 화학식 1에서, 관능기 RX는 황을 가지는 관능기이다.In Formula 1, the functional group RX is a functional group having sulfur.
제1항에 있어서, 상기 관능기 RX에서 R은 직선 또는 가지구조의 포화 또는 불포화 알킬 또는 아릴 그룹이며, X는 -SH 또는 -S-S-의 구조로 기판 표면과 흡착될 수 있는 관능기 부분인 것을 특징으로 하는 풀러렌 유도체.According to claim 1, wherein in the functional group RX R is a linear or branched saturated or unsaturated alkyl or aryl group, X is a structure of the functional group that can be adsorbed to the substrate surface in the structure of -SH or -SS- Fullerene derivatives. 제1항에 있어서, 상기 RX는 하기의 화학식들로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 풀러렌 유도체.The fullerene derivative according to claim 1, wherein RX is at least one selected from the group consisting of the following formulas.
Figure 112008015227111-PAT00007
Figure 112008015227111-PAT00007
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